L'expérience Quantum Cat qui a battu un record incroyable

La mécanique quantique tente de comprendre comment l'univers fonctionne aux niveaux atomique et subatomique, et jusqu'à présent, il s'avère que les choses deviennent assez étranges là-bas. Prenons le concept de superposition. Les lois de la mécanique quantique stipulent que les objets de la taille d’un atome ou plus petits sont capables d’exister simultanément dans plusieurs états. C'est cette superposition que le physicien autrichien Erwin Schrödinger a tenté de décrire (et de critiquer) avec sa célèbre expérience de pensée « Le chat de Schrödinger », dans laquelle il a imaginé une boîte contenant un chat et un atome radioactif qui se désintégrerait au hasard, tuant ainsi le chat à tout moment. un certain point. Tant que la boîte n'est pas ouverte, il est impossible de savoir si l'atome s'est désintégré et donc si le chat est vivant ou mort. On dit donc que l’animal existe dans une superposition où, jusqu’à ce qu’il soit observé, il est à la fois vivant et mort.

Mais l’idée de superposition n’est pas seulement un concept théorique décrit dans des expériences de pensée. Des études ont en effet été menées dans lesquelles des particules subatomiques ont été observées existant en superpositions. En 1996, des chercheurs ont enregistré un état de type « chat de Schrödinger » dans un seul atome, piégeant un ion 9Be+ qui avait été refroidi par laser et préparé simultanément dans une superposition de différents états. En 2010, des physiciens de l'UC Santa Barbara ont placé un résonateur mécanique. dans une superposition, prouvant que la mécanique quantique pourrait également être appliquée à des objets plus grands. Plusieurs autres études ont prouvé l'existence d'une superposition au niveau quantique, mais dans tous les cas, cela. L’état était extrêmement fragile et ne durait que quelques fractions de seconde.

Aujourd’hui, des chercheurs chinois ont réussi à maintenir des atomes dans un « état de chat » – une référence à l’expérience de pensée de Schrödinger – pendant 23 minutes complètes, battant des records et poussant la mécanique quantique à ses limites.

Même si des expériences antérieures ont réussi à produire une superposition observable, cette superposition elle-même a toujours été si incroyablement fragile qu’elle s’est effondrée presque immédiatement. Cependant, des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Chine ont réussi à produire une superposition d'états félins qui a duré une durée sans précédent de 23 minutes et 20 secondes.

L’équipe a présenté ses découvertes dans un article non encore évalué par des pairs et publié sur le site de prépublication ArXiv, dans lequel elle détaille comment elle a utilisé 10 000 atomes d’ytterbium – un métal argenté mou – pour produire cet incroyable résultat. Les atomes ont été refroidis à presque zéro degré et piégés par la lumière laser. Les chercheurs ont ensuite pu manipuler chaque atome individuellement, en le plaçant dans deux états de spin différents. (« Spin » fait référence au moment cinétique d'un corps et constitue un concept extrêmement complexe en soi.) Les atomes étant dans deux états différents simultanément constituaient l'état de chat quantique, qui a duré 1 400 secondes incroyables – le plus long d'un tel état. état n’a jamais été observé.

Lorsqu’un objet subatomique est placé en superposition, on dit qu’il « cohère ». Cela fait référence à l’idée d’un objet ayant des propriétés ondulatoires. Lorsque cette propriété d'onde est divisée en deux et que l'une interagit avec l'autre, l'objet est essentiellement constitué de deux ondes en même temps et est donc dit en cohérence – c'est-à-dire que les deux ondes sont en cohérence l'une avec l'autre pour former une nouvelle onde qui représente la superposition d'être les deux à la fois. Le maintien de la cohérence est l’un des grands défis de la création de superpositions, car les facteurs environnementaux – des changements thermiques aux interférences électromagnétiques et même à la simple interaction avec les particules de l’air – peuvent empêcher les atomes et les particules subatomiques de décohérer très rapidement.

Dans l’expérience des chercheurs chinois, l’équipe a utilisé ce qu’elle a appelé un « sous-espace sans décohérence », ce qui signifie essentiellement que les atomes d’ytterbium étaient maintenus dans un environnement où presque rien ne pouvait perturber leur capacité à se lier dans un état de superposition. L’équipe cherche maintenant à développer un meilleur système de vide qui empêcherait la décohérence encore plus longtemps.

Le maintien d’un état de superposition pendant 23 minutes constitue déjà une avancée majeure, et cela aura probablement une importance majeure dans le domaine de l’informatique quantique, où le maintien de la cohérence est fondamental pour le fonctionnement d’un ordinateur quantique. Ces machines s'appuient sur des qubits, la version quantique d'un bit binaire traditionnel, qui, plutôt que d'être un ou un zéro, peut exister sous les deux formes en même temps. En tant que telle, la capacité de créer un environnement dans lequel ces superpositions peuvent être maintenues est vitale pour le fonctionnement du système dans son ensemble. De plus, maintenir une superposition pendant aussi longtemps pourrait potentiellement contribuer à soutenir ce qu'on appelle la métrologie quantique, une forme de mesure des choses avec une ultra-haute précision qui va au-delà de la métrologie standard.

À ce stade, il est toutefois important de noter que l’expérience ne constitue qu’un pas dans la bonne direction. La complexité de maintenir le type d’environnement contrôlé requis pour produire cette superposition remarquablement durable signifie qu’il serait extrêmement difficile d’utiliser cette même approche pour d’autres applications. Quoi qu’il en soit, il s’agit d’une réalisation remarquable qui augure extrêmement bien pour l’avenir de la mécanique quantique et de notre compréhension de celle-ci.